Alex, une adolescente de 15 ans, a un secret : elle est hermaphrodite. Peu après sa naissance, ses parents décident de quitter Buenos Aires pour s'installer sur la côte uruguayenne, dans une maison de bois perdue dans les dunes. XXY commence avec l'arrivée d'un couple d'amis venus de Buenos Aires, accompagnés d'Alvaro, leur fils de 16 ans. Le père, un spécialiste en chirurgie esthétique, a accepté l'invitation en raison de l'intérêt médical qu'il porte à Alex. Une attirance inéluctable naît entre les deux enfants qui va les obliger à affronter leurs peurs... Des rumeurs se répandent dans la ville. On commence à dévisager Alex comme si elle était un monstre. La fascination qu'elle exerce risque désormais de devenir dangereuse.

1984 Dans un hôpital psychiatrique abandonné, une compagnie théâtrale menée de main de maître par Alma expérimente une technique extrême de jeu. En privant ses comédiens de sommeil, Alma prétend les préparer à donner le meilleur d'eux-mêmes. Au fur et à mesure des jours d'insomnie, les acteurs ressentent des choses de plus en plus étranges… Bianca, jeune actrice en compétition pour le rôle principal, tente de percer les secrets de cet étrange endroit et devient bientôt l'objet de forces inconnues.

Une jeune femme gît dans la douleur, tandis qu'un garçon l'interroge sur ce qui lui est arrivé ; elle n'est pas sa mère, ni lui son fils. Ensemble, ils vont démêler une histoire obsédante d'âmes brisées, de toxines, de catastrophes environnementales et spirituelles imminentes, et des liens qui unissent un parent à son enfant.